Wiadomości z branży: GPU zwiększa popyt na płytki krzemowe

Krzem jest drugim najpowszechniejszym materiałem na Ziemi, po tlenie, i siódmym najpowszechniejszym materiałem we wszechświecie. Krzem jest półprzewodnikiem, co oznacza, że ​​ma właściwości elektryczne między przewodnikami (takimi jak miedź) i izolatorami (takimi jak szkło). Niewielka ilość obcych atomów w strukturze krzemu może fundamentalnie zmienić jego zachowanie, więc czystość krzemu klasy półprzewodnikowej musi być zadziwiająco wysoka. Dopuszczalna minimalna czystość krzemu klasy elektronicznej wynosi 99,999999%.

Oznacza to, że tylko jeden atom niebędący krzemem jest dozwolony na każde dziesięć miliardów atomów. Dobra woda pitna pozwala na 40 milionów cząsteczek niebędących wodą, co jest 50 milionów razy mniej czyste niż krzem klasy półprzewodnikowej.

Producenci pustych płytek krzemowych muszą przekształcić krzem o wysokiej czystości w doskonałe struktury monokrystaliczne. Odbywa się to poprzez wprowadzenie pojedynczego kryształu matki do stopionego krzemu w odpowiedniej temperaturze. Gdy wokół kryształu matki zaczynają rosnąć nowe kryształy potomne, sztabka krzemu powoli formuje się z roztopionego krzemu. Proces jest powolny i może trwać tydzień. Gotowa sztabka krzemu waży około 100 kilogramów i może wytworzyć ponad 3000 płytek.

Wafle są cięte na cienkie plasterki za pomocą bardzo cienkiego drutu diamentowego. Precyzja narzędzi tnących krzem jest bardzo wysoka, a operatorzy muszą być stale monitorowani, w przeciwnym razie zaczną używać narzędzi do robienia głupich rzeczy ze swoimi włosami. Krótkie wprowadzenie do produkcji wafli krzemowych jest zbyt uproszczone i nie docenia w pełni wkładu geniuszy; mamy jednak nadzieję, że zapewni tło dla głębszego zrozumienia biznesu wafli krzemowych.

Relacja popytu i podaży w przypadku płytek krzemowych

Rynek płytek krzemowych jest zdominowany przez cztery firmy. Przez długi czas rynek znajdował się w delikatnej równowadze między podażą a popytem.
Spadek sprzedaży półprzewodników w 2023 r. doprowadził do nadpodaży na rynku, co spowodowało wysokie wewnętrzne i zewnętrzne zapasy producentów chipów. Jest to jednak tylko tymczasowa sytuacja. Wraz z ożywieniem rynku branża wkrótce powróci na skraj możliwości i będzie musiała sprostać dodatkowemu popytowi spowodowanemu rewolucją AI. Przejście z tradycyjnej architektury opartej na procesorach na przyspieszone przetwarzanie będzie miało wpływ na całą branżę, ponieważ Może to jednak mieć wpływ na segmenty przemysłu półprzewodników o niskiej wartości.

Architektury jednostek przetwarzania grafiki (GPU) wymagają większej powierzchni krzemu

Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na wydajność producenci GPU muszą pokonać pewne ograniczenia projektowe, aby osiągnąć wyższą wydajność GPU. Oczywistym jest, że powiększenie chipa jest jednym ze sposobów na osiągnięcie wyższej wydajności, ponieważ elektrony nie lubią pokonywać dużych odległości między różnymi chipami, co ogranicza wydajność. Istnieje jednak praktyczne ograniczenie w powiększaniu chipa, znane jako „limit siatkówki”.

Limit litografii odnosi się do maksymalnego rozmiaru chipa, który można naświetlić w jednym kroku w maszynie litograficznej używanej w produkcji półprzewodników. Ograniczenie to jest określone przez maksymalny rozmiar pola magnetycznego sprzętu litograficznego, zwłaszcza steppera lub skanera używanego w procesie litografii. W przypadku najnowszej technologii limit maski wynosi zwykle około 858 milimetrów kwadratowych. To ograniczenie rozmiaru jest bardzo ważne, ponieważ określa maksymalny obszar, który można uzyskać na płytce w jednym naświetleniu. Jeśli płytka jest większa niż ten limit, konieczne będą wielokrotne naświetlenia, aby w pełni uzyskać wzór płytki, co jest niepraktyczne w przypadku produkcji masowej ze względu na złożoność i wyzwania związane z wyrównaniem. Nowy GB200 przezwycięży to ograniczenie, łącząc dwa podłoża chipów z ograniczeniami wielkości cząstek w krzemową warstwę pośrednią, tworząc podłoże o superograniczonych cząstkach, które jest dwa razy większe. Inne ograniczenia wydajności to ilość pamięci i odległość do tej pamięci (tj. przepustowość pamięci). Nowe architektury GPU przezwyciężają ten problem, wykorzystując stos pamięci o dużej przepustowości (HBM), która jest instalowana na tym samym interposerze krzemowym z dwoma chipami GPU. Z perspektywy krzemu, problem z HBM polega na tym, że każdy bit obszaru krzemu jest dwa razy większy niż w tradycyjnej pamięci DRAM ze względu na interfejs o wysokiej równoległości wymagany do dużej przepustowości. HBM integruje również układ sterowania logicznego w każdym stosie, zwiększając obszar krzemu. Przybliżone obliczenia pokazują, że obszar krzemu używany w architekturze GPU 2.5D jest 2,5 do 3 razy większy niż w tradycyjnej architekturze 2.0D. Jak wspomniano wcześniej, jeśli firmy odlewnicze nie będą przygotowane na tę zmianę, pojemność płytek krzemowych może znów stać się bardzo ograniczona.

Przyszła pojemność rynku płytek krzemowych

Pierwsze z trzech praw produkcji półprzewodników mówi, że najwięcej pieniędzy należy zainwestować, gdy jest ich najmniej. Wynika to z cyklicznej natury branży, a firmy produkujące półprzewodniki mają trudności z przestrzeganiem tej zasady. Jak pokazano na rysunku, większość producentów płytek krzemowych dostrzegła wpływ tej zmiany i prawie potroiła swoje całkowite kwartalne wydatki kapitałowe w ciągu ostatnich kilku kwartałów. Pomimo trudnych warunków rynkowych nadal tak jest. Co jeszcze ciekawsze, ten trend utrzymuje się od dawna. Firmy produkujące płytki krzemowe mają szczęście lub wiedzą coś, czego inni nie wiedzą. Łańcuch dostaw półprzewodników to wehikuł czasu, który może przewidzieć przyszłość. Twoja przyszłość może być przeszłością kogoś innego. Chociaż nie zawsze otrzymujemy odpowiedzi, prawie zawsze otrzymujemy wartościowe pytania.